Модуль I «Нормативные материалы»
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РФ
ГОУ ВПО «Башкирский государственный педагогический университет им. М. Акмуллы»
Физико-математический факультет
Кафедра общей физики
«Согласовано» _________________ председатель УМК | «Утверждаю» _______________ декан факультета |
ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
СД. ДС. Ф Основы физики твердого тела (Спецкурс)
для специальности
050203 Физика
1. Цели и задачи дисциплины
В связи со сменой целевых установок высшего образования, на первое место выдвигается формирование навыков самостоятельной работы у студентов, что дает возможность быстрее адаптироваться в изменяющихся условиях. Самостоятельная работа студентов формирует культуру умственного труда, вырабатывает умение планировать свою работу, рационально выполнять ее, а также критически оценивать достигнутые результаты.
Основными целями при изучении курса "Основы физики твердого тела " следует считать: 1) формирование современной естественно-научной картины мира, 2) понимание роли этого раздела физики в построении физической картины мира. В рамках заявленных целей обучение по курсу "Основы физики твердого тела " призвано решить следующие задачи:
1) ознакомить с предметом изучения и фундаментальными теориями в этой области науки;
2) познакомить с экспериментальными и теоретическими методами и устройством приборов, применяемых при исследованиях в этой области;
3) обосновать роль и место физических и математических моделей в структуре теории;
4) указать роль этого предмета в формировании учителя физики.
Исходя из задачи обучения и структуры дисциплины, выделяются особенности изучения их содержания.
Теоретическая подготовка должна отражать
- современную концепцию физического образования на основе достижений педагогической науки;
- основные направления исследований по физике твердого тела.
Практическая подготовка должна отражать
- обучение решению задач,
- формирование экспериментальных умений, знание оборудования и умений работать с ними, разработку системы опытов по темам;
Самостоятельная работа студентов (СРС) по курсу предполагает их виды, соответствующие структуре дисциплины: изучение учебных программ, учебников, учебно-методических пособий.
Курс "Основы физики твердого тела ориентирует культурно-просветительный, научно-методический и организационно-управленческий виды профессиональной деятельности, ее изучение способствует решению следующих типовых задач профессиональной деятельности в учреждениях среднего общего (полного) образования.
Дисциплина ориентирует на выполнение учебно-воспитательной, научно-методической и организационно-управленческой деятельности, ее изучение способствует решению следующих типовых задач профессиональной деятельности:
в области учебно-воспитательной деятельности:осуществление процесса обучения физике и в соответствии с образовательной программой; планирование и проведение учебных занятий с учетом специфики тем и разделов программы и в соответствии с учебным планом; использование современных научно обоснованных приемов, методов и средств обучения; использование технических средств обучения, информационных и компьютерных технологии; применение современных средств оценивания результатов обучения;
в области научно-методической деятельности: выполнение научно-методической работы, участие в работе научно – методических объединений; анализ собственной деятельности с целью ее совершенствования и повышения своей квалификации;
в области культурно - просветительной деятельности: формирование и повышение общей культуры студентов.
в области организационно-управленческой деятельности: рациональная организация учебного процесса с целью укрепления и сохранения здоровья студентов; организация контроля за результатами обучения и воспитания;
2. Требования к уровню освоения содержания дисциплины
Студент, изучивший дисциплину, должен:
знать:
· основные понятия и законы физики твердого тела
· методы обработки результатов экспериментальных исследований
уметь:
· выделять значимые параметры при описании явлений,
· строить их физическую и математическую модели;
· уметь анализировать поведение физических и математических моделей в различных условиях и оценивать их адекватность реальным явлениям.
· владеть навыками: научного метода познания, при рассмотрения явлений физики твердого тела, его экспериментальной и теоретической компонентами в их взаимодействии
3. Место дисциплины в циклах дисциплин
Дисциплина изучается в восьмом семестре и является основой дальнейшей подготовки студентов к изучению специальных дисциплин, предусмотренных учебным планом. В процессе ее изучения используются знания студентов, полученные ими в курсе "Общая и экспериментальная физика ".
4. Связь с другими дисциплинами
Изучение дисциплины " Основы физики твердого тела " базируется на знаниях, полученных студентами по курсам физического и математического цикла: Общая и экспериментальная физика, математический анализ, дифференциальные и интегральные уравнения, методы математической физики.
Знания, полученные студентами в данном курсе, могут быть использованы в дисциплинах специализации и при выполнении дипломных работ.
5. ОБЪЕМ ДИСЦИПЛИНЫ И ВИДЫ УЧЕБНОЙ РАБОТЫ
Вид учебной работы | Семестр - VIII |
Общая трудоемкость | 65 |
Аудиторные занятия | 65 |
Лекции | 28 |
Практические занятия (семинары)) | - |
Лабораторные работы | 25 |
Самостоятельная работа | - |
Контроль самостоятельной работы | 12 |
Курсовые работы/рефераты | - |
Вид итогового контроля: экзамен, зачет | Зачет |
6. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
6.1. РАЗДЕЛЫ ДИСЦИПЛИНЫ И ВИДЫ ЗАНЯТИЙ
По курсу «Основы физики твердого тела» (VIII – семестр)
№ п/п | Тематический план | Лекции | Практические занятия, семинары | Лаборатор- ные работы |
1. | 6.1.1.Описание структуры кристаллов | 4 | - | 4 |
2. | 6.1.2. Дифракция рентгеновских лучей в кристаллах | 2 | - | 4 |
3. | 6.1.3. Несовершенства и дефекты в кристаллах | 2 | - | - |
4. | 6.1.4. Тепловые колебания кристаллов | 4 | - | - |
5 | 6.1.5. Теплоемкость и теплопроводность твердых тел | 2 | - | 4 |
6 | 6.1.6. Модель свободных электронов | 2 | - | - |
7 | 6.1.7. Энергетические зоны | 2 | - | 4 |
8 | 6.1.8. Полупроводниковые кристаллы | 2 | - | - |
9 | 6.1.9. Кинетическия явления в твердых телах | 2 | - | 4 |
10 | 6.1.10. Сверхпроводимость | 2 | - | - |
11 | 6.1.11. Оптические явления в твердых телах | 4 | - | 5 |
6.2. СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛОВ ДИСЦИПЛИНЫ
По курсу «Основы физики твердого тела» (VIII – семестр)
6.2.1.Описание структуры кристаллов.
Вектор трансляции, решетка, базис. Двухмерные кристаллы: элементарная и примитивная ячейки, решетки Браве для двухмерных кристаллов. Трехмерные кристаллы, решетки Браве для трехмерных кристаллов. Индексы Миллера и обозначение направлений. Простые кристаллические структуры: кубическая гранецентрированная и гексагональная с плотной упаковкой; структура алмаза и хлористого натрия. Анизотропия твердых тел. Явление полиморфизма. Классификация типов связи в кристаллах: ионные, ковалентные, металлические и молекулярные кристаллы.
6.2.2. Дифракция рентгеновских лучей в кристаллах.
Закон Брэгга. Экспериментальные методы исследования структуры твердых тел: метод Лауэ, метод вращения кристалла, порошковый метод.
6.2.3. Несовершенства и дефекты в кристаллах.
Мозаичная структура. Примеси. Атомы в междоузлиях и вакансии. Равновесная концентрация дефектов. Дислокации.
6.2.4. Тепловые колебания кристаллов.
Основные параметры упругих волн. Соотношения дисперсии для упругих волн в одномерной кристаллической цепочке, состоящей из одинаковых атомов и из атомов 2-х видов. Акустические и оптические ветви колебаний для одномерных и трехмерных кристаллов. Акустические и оптические фононы. Обратная решетка. Зоны Бриллюэна.
6.2.5. Теплоемкость и теплопроводность твердых тел.
Закон Дюлонга-Пти, модель Эйнштейна. Дебаевская теория теплоемкости решетки. Теплоемкость электронов проводимости в металлах. Теплопроводность твердых тел.
6.2.6. Модель свободных электронов.
Свободный электронный газ Ферми (одномерный случай). Энергия Ферми, функция распределения Ферми-Дирака. Свободный электронный газ в трехмерном случае. Поверхность (сфера) Ферми. Электропроводность и закон Ома. Теплопроводность металлов, закон Видемана-Франца.
6.2.7. Энергетические зоны.
Причины появления запрещенных зон на основе рассмотрения брэгговского отражения электронных волн. Металлы, полупроводники и диэлектрики с точки зрения зонной теории. Волновые функции электрона в периодической решетке. Схема приведенных зон. Эффективная масса электрона, дырки.
6.2.8. Полупроводниковые кристаллы.
Собственная проводимость. Закон действующих масс. Концентрация собственных носителей. Структура энергетических зон (на примере германия). Циклотронный резонанс в полупроводниках.
6.2.9. Кинетическия явления в твердых телах.
Движение в магнитном поле, циклотронная частота, статическое магнетосопротивление. Эффект Холла. Эффект Холла в случае смешанной проводимости. Термоэлектрические явления. Диффузия в твердых телах и ее зависимость от температуры.
6.2.10. Сверхпроводимость.
Сверхпроводящие материалы. Разрушение сверхпроводимости магнитным полем. Эффект Мейснера. Теплоемкость сверхпроводников. Поглощение электромагнитного излучения сверхпроводниками. Изотопический эффект. Основы теории БКШ: образование куперовских пар, энергетическая щель.
6.2.11. Оптические явления в твердых телах.
Различные процессы взаимодействия света с твердым телом. Поглощение света кристаллами, коэффициент поглощения. Собственное поглощение: прямые и непрямые переходы. Экситонное поглощение. Поглощение свободными носителями. Примесное и решеточное поглощения. Рекомбинационное излучение в полупроводниках. Различные виды люминесценции. Фотопроводимость, выражения для концентрации фотоносителей тока.
6.3. Лабораторный практикум
По курсу «Основы физики твердого тела» (VIII – семестр)
№ п/п | № раздела дисциплины | Наименование лабораторных работ |
1 | 6.1.1 | Изучение принципа сканирующего туннельного микроскопа. |
2 | 6.1.2 | Изучение дифракционных картин, полученных на разных типах образцов. |
6.1.5 | Изучение закона Видемана-Франца | |
6.1.7 | Определение энергии активации по вольтамперным характеристикам диэлектрических пленок | |
6.1.9 | Изучение эффекта Холла | |
6.1.11 | Определение оптического края поглощения |
7. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
7.1. Рекомендуемая литература
1. Савельев. общей физики. Книга 5. – М.: Наука. Физматлит, 1998.- 402 с.
2. Епифанов твердого тела. – М.:Высшая школа, 1965.-275с.
3. Введение в физику твердого тела. –М.:Наука, 1978. –791с.
4. Стильбанс полупроводников. – М.:Сов. радио, 1967. – 451с.
5. Гуревич твердого тела. – СПб.:Невский лиалект, 2004.-320с.
7.2 СРЕДСТВА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Для обеспечения освоения данной дисциплины необходимы:
Учебные и методические пособия;
Учебники, программы;
Пособия для самостоятельной работы;
Сборники упражнений.
8. МАТЕРИАЛЬНО–ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Для обеспечения данной дисциплины необходимы: оборудованные аудитории: лекционная аудитория; кафедра; учебная лаборатория;
технические средства обучения: проектор, компьютер;
учебно – наглядные пособия.
9. УЧЕБНАЯ ПРАКТИКА ПО ДИСЦИПЛИНЕ
Учебная практика по данной дисциплине не предусмотрена.
Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по специальности 050203.65 - Физика
Программу составил:
Кандидат физико-математических наук, доцент Башкирского государственного педагогического университета им. М. Акмуллы |
Программа одобрена на заседании кафедры от 18 сентября 2009г. протокол № 2
